DFT Investigation Of Tungsten Oxide Supported On Alumina For CO₂ Reduction Via The Reverse Water-Gas Shift Reaction. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) Nada Ibrahim Mousa Oriqat - MS Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 29 January 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُقدّم هذه الرسالة دراسة نظرية باستخدام حسابات دالة الكثافة (DFT) لفهم تأثير تعديل سطح(0001) α‑Al₂O₃ بأكاسيد التنجستن (WOₓ) على آلية تفاعل إزاحة غاز الماء العكسي (RWGS) واختزال ثاني أكسيد الكربون (CO₂). تمت دراسة ثلاثة نماذج سطحية: α‑Al₂O₃ النقي، وW₂O₆/α‑Al₂O₃، وW₂O₅/α‑Al₂O₃. على سطح الألومينا النقي، يمتز ثاني أكسيد الكربون بشكل ضعيف ويَبقى في حالته الجزيئية. في المقابل، تؤدي الأسطح المعدلة بأكاسيد التنجستن إلى تفكك ثاني أكسيد الكربون تلقائيًا. تُحلّل الدراسة الوسائط التفاعلية الناتجة عن ثلاث آليات متنافسة لتفاعل إزاحة غاز الماء العكسي: المسار الاختزالي، ومسار الفورمات، ومسار الكربوكسيل. تعمل الشواغر الأكسجينية ومراكز التنجستن مختلطة التكافؤ (W⁵⁺/W⁶⁺) كمواقع نشطة اختزاليًا، وتثبّت بقوة الوسائط التفاعلية المحتوية على الأكسجين. تكشف حسابات البنية الإلكترونية عن انخفاض في فجوة الطاقة وزيادة في كثافة الحالات الإلكترونية قرب حافة نطاق التكافؤ عند إدخال التنجستن، مما يدل على مرونة اختزالية محسّنة. بينما تُنشّط تراكيب WOₓ سطح الألومينا الخامل لتحويل ثاني أكسيد الكربون، قد يؤدي التثبيت القوي للوسائط التفاعلية على مواقع التنجستن المختزلة إلى إعاقة تحرر النواتج والحد من معدل التحول التحفيزي. تؤكد النتائج أهمية ضبط حالة أكسدة WOₓ وتركيز الشواغر في البنية، لتحقيق توازن بين طاقة تنشيط ثاني أكسيد الكربون واستقرارية الوسائط التفاعلية، بهدف تصميم محفز فعّال لتفاعل إزاحة غاز الماء العكسي.

English Abstract

This thesis presents a density functional theory (DFT) study of the reverse water gas shift (RWGS) reaction on oxygen terminated α-Al₂O₃(0001) and tungsten oxide (WOx) modified surfaces. Three models were examined: pristine α-Al₂O₃, W₂O₆/α-Al₂O₃, and W₂O₅/α-Al₂O₃. On the bare alumina surface, CO₂ adsorbs weakly and remains molecular. In contrast, both WOx modified surfaces enable spontaneous CO₂ dissociation. The study analyzes intermediates from three competing RWGS pathways: redox, formate, and carboxyl. Oxygen vacancies and mixed valent W⁵⁺/W⁶⁺ centers act as redox active sites, strongly stabilizing key oxygen-containing intermediates. Electronic structure calculations reveal band gap reduction and an increased density of states near the valence edge with tungsten incorporation, indicating enhanced redox flexibility. While WOx clusters activate the inert alumina support for CO₂ conversion, the strong binding of intermediates on reduced tungsten sites may impede product desorption and limit catalytic turnover. The results underscore the importance of tuning the WOx oxidation state and defect density to balance CO₂ activation energy and intermediate stability for optimal RWGS catalyst design.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering General Research Research > Petrochemicals
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Abduljabar Al-Sayoud,
Committee Members:	Qasem Drmosh, Zuhair Al-Yousef,
Depositing User:	NADA ORIQAT (g202391710)
Date Deposited:	01 Feb 2026 07:45
Last Modified:	01 Feb 2026 07:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144061